Вопрос 15

СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ

Сверхпроводники. Как уже упоминалось, при понижении темпе­ратуры удельное сопротивление р металлических проводников уменьшается. Исключительный интерес представляет вопрос об электропроводности металлов при весьма низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю.

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия)сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью, тем­пература Тс, при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, — температурой сверхпроводящего пе­рехода, а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, — сверхпроводниками.

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Тс сверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости .

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс, харак­терного для данного сверхпроводникового материала); такой сверх­проводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электри­ческим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В, закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Тс, но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля c магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода Вс (в первом приближении, по крайней мере для чистых сверхпроводни­ковых металлов, безразлично, создается ли индукция Вс током, идущим по самому сверхпроводнику, или же сторонним источником магнитного поля. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода Вс. Наибольшая возможная температура перехода Тс0 (критическая температура) данного сверхпровод­никового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверх проводни­кового электромагнита—при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение Вс0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина.

В 1933 г. немецкие фи­зики В. Майснер и Р. Ок-сенфельд сделали новое фундаментальное откры­тие: они обнаружили, что сверхпроводники при пе­реходе из нормального в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнетиками, т. е. их проницаемость М = 0. Поэтому внешнее магнит­ное поле не может проникать в сверхпроводящее тело, если же переход этого тела в сверхпроводящее состояние произошел в магнитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника. Этот эффект был продемонстрирован в 1935 г. В. К. Аркадьевым в его знаменитом опыте с висящим магнитом. Когда магнит опускают в чашку из находящегося в сверхпроводящем состоянии материала , этот магнит отталкивается от чашки и остается в урав­новешенном состоянии в воздухе, не касаясь чашки. Аналогично можно заставить сверхпроводящее тело висеть над поверхностью маг­нита.

В 50-х годах нашего столетия были открыты новые сверхпровод­ники, представляющие собой уже не чистые металлы, а сплавы или химические соединения. Эти сверхпроводники в отличие от чистых сверхпроводниковых металлов {сверхпроводников I рода), названные сверхпроводниками II рода, обладают рядом особенностей. Переход из нормального в сверхпроводящее состояние при охлаждении у них происходит не скачком (как у сверхпроводников I рода), а постепенно; у них существует промежуточное состояние («фаза А. И. Шальникова»). В промежуточном состоянии сверхпроводимость при постоянном на­пряжении сохраняется, т. е. р = 0, но эффект Майснера—Оксен­фельда—Аркадьева выражен не полностью,

т. е. относительная маг­нитная проницаемость сверхпроводника М > 0; при воздействии на сверхпроводник переменного напряжения в нем наблюдаются не­которые потери энергии и т. п. Кроме того, свойства сверхпровод­ников II рода в большой степени зависят от технологического режима изготовления и т. п.

Диаграммы состояния сверхпроводника II рода — станнида ниобия Nb2Sn (кривые / и 2) и сверхпроводника I рода — свинца РЬ.Из чистых металлов к сверхпроводникам II рода относятся лишь ниобий Nb, ванадий V и технеций Тс.

Оказалось, что некоторые сверхпроводники II рода обладают не только сравнительно высокими значениями Тс, но, что особенно важно, и весьма высокими значениями Вс. Это вызвало появление большого интереса к сверхпроводникам; в настоящее время проб­лема сверхпроводимости и ее технического использования является одной из наиболее актуальных проблем современной науки и тех­ники.

Из результатов исследований последних лет в области сверх­проводимости важно отметить открытие того, что помимо понижения температуры появлению сверхпроводимости способствует и повыше­ние давления; у некоторых веществ, не переходящих при нормаль­ном давлении в сверхпроводящее состояние, удалось обнаружить сверхпроводимость при воздействии на вещество высокого гидроста­тического давления. Установлены даже сверхпроводящие свойства не только у веществ, являющихся при нормальных условиях про­водниками (прежде всего у металлов, сплавов металлов и интерметал­лических соединений), но и у полупроводников (например, у антимонида индия InSb, который имеет температуру сверх­проводящего перехода Тс около 5 К при давлении около 30 ГПа).

Большинство известных сверхпроводников, даже и сверхпро­водников II рода, имеет все же весьма низкую температуру пере­хода Тс. Наиболее высокую Тс0 из всех известных элементарных; сверхпроводников имеет ниобий, а из всех широко применяемых —станнид ниобия Nb2Sn.

Поиски «теплых» сверхпроводников усиленно продолжаются. В частности, большой интерес имеет (пока не подтвержденное экспе­риментально) теоретическое высказывание акад. В. Л. Гинзбурга о том, что «металлический» водород (который предполагается полу­чить из обычного твердого водорода, имеющего температуру плавле­ния при нормальном давлении около 14 К, посредством воздействия на него чрезвычайно высокого гидростатического давления) может находиться в сверхпроводящем состоянии при температурах, равных десяткам и даже сотням Кельвинов.

Теория сверхпроводимости исключительно сложна. В создание этой теории основной вклад внесли советские ученые — Л. Д. Лан­дау, Н. Н. Боголюбов, В. Л. Гинзбург, А. А. Абрикосов, Л. П. Горь­кое и другие, а также ученые зарубежных стран —Д. Бардин, Л. Купер, Д. Шриффер и другие. По современным представлениям в основе явления сверхпроводимости лежит образование связанных пар электронов («куперовских пар»); такая пара не может выделять энергию малыми дозами, так что обычные потери мощно­сти, которые наблюдаются в металлах при нормальных условиях, здесь уже не имеют места. Разъединение ассоциированных в куперовскую пару электронов при повышении температуры или магнитной индукции представляет собой нарушение сверхпроводимости, т. е. фазовый переход сверхпроводника из сверхпроводящего состояния в нормальное. Отмечается глубокая аналогия в физической сущ­ности явления сверхпроводимости и явления сверхтекучести, от­крытого П. Л. Капицей у жидкого гелия-П и теоретически обосно­ванного Л. Д. Ландау.

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все шире используется явление криопроводимости (прежнее название — гиперпроводимость), т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающие таким свойством, называются криопроводниками.

Очевидно, что физическая сущность криопроводимости не сходна с физической сущностью явления сверхпроводимости. Криопроводимость — частный случай нормальной электропроводности металлов в условиях криогенных температур.

Весьма малое, но все же конечное значение р криопроводников ограничивает допустимую плотность тока в них, хотя эта плотность может быть все же гораздо выше, чем в обычных металлических проводниках при нормальной или повышенной температуре. Крио­проводники у которых при изменении температуры в широком диапазоне р меняется плавно, без скачков, не могут использоваться в устройствах, действие которых основано на триггерном эффеке возникновения и нарушения сверхпроводимости (например, в сверх­проводниковых запоминающих устройствах). Не обнаруживаются при криопроводимости и другие, специфические для сверхпровод­ников явления, такие как эффект Майснера —Оксенфельда и др.

Применение криопроводников вместо сверхпроводников в элек­трических машинах, аппаратах и других электротехнических устрой­ствах может иметь свои преимущества. Использование в качестве хладагента жидкого водорода или жидкого азота упрощает и удешевляет выпол­нение тепловой изоляции ус­тройства и уменьшает расход мощности на охлаждение. Кроме того, в сверхпроводящем кон­туре с большим током нака­пливается большое количество энергии магнитного поля, рав­ное LI/2 Дж (L —индуктив­ность, Гн; I —ток, А). При случайном повышении температуры или магнитной индукции свыше значений, соответствующих переходу сверхпроводника в нормальное состояние хотя бы в малой части сверхпроводящего контура, сверх­проводимость будет нарушена, что приведет к внезапному освобож­дению большого количества энергии. Для криопроводящей цепи такой опасности нет, так как повышение температуры может повлечь за собой лишь постепенное, плавное увеличение сопротивления.

Во всех случаях для получения высококаче­ственных криопроводни­ков требуются исключи­тельно высокая чистота металла (отсутствие при­месей) и отсутствие на­клепа (отожженное со­стояние).